黃河三角洲區(qū)域地表形變監(jiān)測(cè)研究

韓紅花

(山東省國土測(cè)繪院，山東 濟(jì)南 250013)

摘要：由于地殼運(yùn)動(dòng)、地下水使用及礦床開采等因素的影響，會(huì)造成地表的形變，特別是垂直(高程)方向影響更大。為了維持高程基準(zhǔn)的現(xiàn)勢(shì)性，本文提出了一種以InSAR地表形變監(jiān)測(cè)和水準(zhǔn)測(cè)量相結(jié)合的方法，實(shí)現(xiàn)地表形變區(qū)高程基準(zhǔn)動(dòng)態(tài)維持。并以黃河三角洲區(qū)域?yàn)槔瑢?duì)2種成果精度進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證，水準(zhǔn)測(cè)量和InSAR監(jiān)測(cè)結(jié)果基本相符，可實(shí)現(xiàn)2種技術(shù)手段融合以獲取點(diǎn)、面綜合的高程變化信息。

0 引言

地表形變是在自然或人為因素作用下，地表產(chǎn)生的升降、傾斜、錯(cuò)動(dòng)等現(xiàn)象。近年來地表形變已成為較為突出和重點(diǎn)防治的地質(zhì)災(zāi)害類型之一，存在發(fā)展空間大、發(fā)展趨勢(shì)強(qiáng)、地下流體采源深和影響因素復(fù)雜等特點(diǎn)，對(duì)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、城市建設(shè)、高速公路建設(shè)和運(yùn)行等造成了一定的影響[1-2]。另外地表形變會(huì)造成測(cè)繪基準(zhǔn)成果的可靠性變差，影響測(cè)繪基準(zhǔn)的應(yīng)用服務(wù)。

地表形變監(jiān)測(cè)早期主要以水準(zhǔn)測(cè)量為主，通過布設(shè)水準(zhǔn)點(diǎn)獲取整體區(qū)域的地表形變情況，這種方法雖然精度較高，但是工作量較大，效率較低。近年來，隨著合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量技術(shù)(InSAR)的發(fā)展，可以快速獲取大范圍的地表形變信息，該技術(shù)已得到廣泛的應(yīng)用。為滿足經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的需要，維持測(cè)繪基準(zhǔn)體系的現(xiàn)勢(shì)性，本文提出了一種基于InSAR和水準(zhǔn)測(cè)量2種手段實(shí)現(xiàn)地表形變監(jiān)測(cè)的方法。

1 研究思路和技術(shù)方法

本文以黃河三角洲典型區(qū)域?yàn)檠芯繀^(qū)，探討了基于InSAR和水準(zhǔn)測(cè)量2種手段實(shí)現(xiàn)地表形變區(qū)域的高程基準(zhǔn)動(dòng)態(tài)維持[3-4]，對(duì)比分析2種手段的差異，測(cè)量完成后，對(duì)比已有水準(zhǔn)測(cè)量成果，分析獲取地表形變情況。同時(shí)，參考同期獲取的InSAR地表形變量成果，驗(yàn)證兩期水準(zhǔn)數(shù)據(jù)獲取的地表形變情況的可靠性，展望建立水準(zhǔn)測(cè)量和InSAR結(jié)合的地表形變監(jiān)測(cè)方法，以進(jìn)一步推進(jìn)地表形變區(qū)高程參考框架的動(dòng)態(tài)維持工作，將InSAR和水準(zhǔn)測(cè)量多源信息應(yīng)用到高程基準(zhǔn)維持中[5-6]，具體技術(shù)路線見圖1。

圖1 技術(shù)路線圖

2 InSAR地表形變監(jiān)測(cè)

本文采用基于相干目標(biāo)的時(shí)序InSAR技術(shù)，利用InSAR形變監(jiān)測(cè)軟件系統(tǒng)SARProZ對(duì)各數(shù)據(jù)集進(jìn)行時(shí)間序列差分干涉分析[7-9]，根據(jù)數(shù)據(jù)情況，采用相應(yīng)算法及模型精確拆分干涉相位中的形變、高程和大氣等分量，進(jìn)而轉(zhuǎn)換為地面形變量，最后進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，生成研究區(qū)域的地表形變監(jiān)測(cè)圖。本文采用哨兵1號(hào)數(shù)據(jù)，以升軌數(shù)據(jù)為主，降軌數(shù)據(jù)為補(bǔ)充。PS-InSAR技術(shù)優(yōu)勢(shì)為可以消除地形、基線與大氣等誤差因素的影響，使得形變監(jiān)測(cè)的結(jié)果更加精確(毫米級(jí))，實(shí)際上就是通過不斷的迭代反演和不同的濾波手段，逐步消除誤差，逼近真值的過程[10]。PS-InSAR的技術(shù)流程如圖2所示。

圖2 PS-InSAR數(shù)據(jù)處理流程

3 二等水準(zhǔn)測(cè)量

3.1 水準(zhǔn)路線布設(shè)情況

水準(zhǔn)測(cè)量基于1985國家高程基準(zhǔn)，使用數(shù)字水準(zhǔn)儀進(jìn)行觀測(cè)，水準(zhǔn)路線布設(shè)在地表形變區(qū)，同時(shí)包含非形變區(qū)一等基巖水準(zhǔn)點(diǎn)和CORS基巖站，與水準(zhǔn)施測(cè)路線一起閉合成環(huán)。其中，當(dāng)舊水準(zhǔn)點(diǎn)存在過于靠近永久性建筑物、遮擋、不穩(wěn)固等不能觀測(cè)和使用時(shí)，在原點(diǎn)位附近布設(shè)臨時(shí)水準(zhǔn)點(diǎn)[11-13]。具體路線見圖3。

圖3 水準(zhǔn)路線及水準(zhǔn)點(diǎn)分布情況示意圖

3.2 水準(zhǔn)觀測(cè)要求

(1)在水準(zhǔn)觀測(cè)前先進(jìn)行儀器自檢。水準(zhǔn)觀測(cè)過程中，每天開測(cè)前進(jìn)行i角測(cè)定，保存于儀器及觀測(cè)手簿中，保證新測(cè)定i角與原有i角值比較，相差在±3.0s內(nèi)，每天檢校標(biāo)尺上圓水準(zhǔn)器的居中情況，并采用紙質(zhì)表格記錄[14-15]。

(2)每一測(cè)站的觀測(cè)方式以及技術(shù)指標(biāo)均嚴(yán)格按照水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范中相關(guān)規(guī)定執(zhí)行，保證每一測(cè)站經(jīng)檢核合格后方進(jìn)行遷站。觀測(cè)過程中，按照水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范要求，實(shí)時(shí)依據(jù)測(cè)站當(dāng)前實(shí)際情況記錄儀器成像、云量、太陽方向、風(fēng)速、風(fēng)向、道路、土質(zhì)等信息。為保證成果質(zhì)量，觀測(cè)自然條件較差時(shí)當(dāng)天不進(jìn)行觀測(cè)[16-18]。

(3)水準(zhǔn)觀測(cè)需要間歇時(shí)，優(yōu)先選擇在固定點(diǎn)上做間歇。

(4)每日觀測(cè)結(jié)束后下載導(dǎo)出水準(zhǔn)觀測(cè)成果，檢查數(shù)據(jù)的完整性，如圖4所示。

圖4 測(cè)段文件編輯處理

(5)每個(gè)水準(zhǔn)區(qū)段測(cè)量結(jié)束后，立即檢查區(qū)段測(cè)量成果的往返測(cè)高差閉合差是否在限差要求范圍內(nèi)。

3.3 水準(zhǔn)數(shù)據(jù)處理

外業(yè)實(shí)測(cè)結(jié)束后，先進(jìn)行水準(zhǔn)觀測(cè)數(shù)據(jù)的正確性與一致性檢驗(yàn)：

(1)檢查水準(zhǔn)數(shù)據(jù)的完整性。

(2)檢查按路線累計(jì)往返觀測(cè)高差、測(cè)站數(shù)、距離等關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

(3)檢查二等水準(zhǔn)路線的往返高差不符值及每千米水準(zhǔn)測(cè)量的偶然中誤差：

(1)

式中：Δ為毫米為單位的測(cè)段往返測(cè)高差不符值；R為以千米為單位的測(cè)段長；n為測(cè)段數(shù)。

水準(zhǔn)數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)正確性與一致性檢核后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，加入正常水準(zhǔn)面不平行改正、重力異常改正、固體潮改正、海潮改正和環(huán)閉合差改正，完成最終的水準(zhǔn)數(shù)據(jù)解算，每千米高差全中誤差為±1.3472mm，平差后最弱點(diǎn)高程中誤差為19.07mm，符合二等水準(zhǔn)規(guī)范的限差要求。

4 二等水準(zhǔn)測(cè)量成果與InSAR監(jiān)測(cè)成果的對(duì)比分析

根據(jù)上述處理過程，獲取研究區(qū)域內(nèi)的二等水準(zhǔn)成果和InSAR地表形變監(jiān)測(cè)成果，對(duì)比2015年水準(zhǔn)成果，發(fā)現(xiàn)測(cè)區(qū)地表發(fā)生了不同程度的形變，地表形變以地表沉降為主，部分發(fā)生了地表抬升。本文利用兩期水準(zhǔn)高差結(jié)果去驗(yàn)證InSAR地表形變結(jié)果[19-20]，具體如下：

(1)首先選取均勻分布于研究區(qū)域的水準(zhǔn)點(diǎn)，本文共選擇499個(gè)點(diǎn)作為后續(xù)精度驗(yàn)證。

(2)在InSAR監(jiān)測(cè)成果基礎(chǔ)上，以上述選擇點(diǎn)位為中心，在基于InSAR形成的地表形變等值線區(qū)域中內(nèi)插獲取當(dāng)前點(diǎn)位的InSAR形變值。

(3)計(jì)算水準(zhǔn)成果和InSAR成果的差值，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。

表1 水準(zhǔn)與InSAR獲取的地表形變量差值

通過表1可得，大部分標(biāo)志點(diǎn)形變量的不符值在3cm之內(nèi)，絕大多數(shù)標(biāo)志點(diǎn)形變量的不符值在10cm之內(nèi)，不符值大的主要原因是2種方法的標(biāo)志點(diǎn)非嚴(yán)格意義的同名點(diǎn)(即不在同一位置)，2種技術(shù)方法獲取的地表形變量成果相符性較好。

5 結(jié)語

由于地殼運(yùn)動(dòng)、地下水使用及礦物開采等因素的影響，會(huì)造成地表的形變，特別是垂直(高程)方向影響更大，破壞測(cè)繪基準(zhǔn)的穩(wěn)定性。本文提出一種地表形變區(qū)域高程基準(zhǔn)動(dòng)態(tài)維持的思路，通過對(duì)研究區(qū)域內(nèi)二等水準(zhǔn)測(cè)量成果和InSAR成果的精度對(duì)比分析，得出2種成果的相符性較好，差別在厘米級(jí)精度，可實(shí)現(xiàn)基于水準(zhǔn)和InSAR監(jiān)測(cè)技術(shù)結(jié)合的點(diǎn)、面綜合的高程基準(zhǔn)動(dòng)態(tài)維持。